數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與地質(zhì)規(guī)律融合的超低滲油藏產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法
——以元284超低滲油藏為例

鄭亞軍，劉寶成，張旭澤，薛永超，宋方新，蔣天昊

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠，甘肅慶陽(yáng)745100；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京昌平102249)

超低滲油藏日益成為石油工業(yè)增儲(chǔ)上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)，成為保障國(guó)家油氣安全的重要支撐[1]。但超低滲油藏復(fù)雜的成巖作用導(dǎo)致其非均質(zhì)性更強(qiáng)、孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、流體滲流環(huán)境更苛刻，必須經(jīng)過大規(guī)模人工改造才能實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)[2-5]，因此綜合考慮地質(zhì)因素和工藝因素預(yù)測(cè)油井產(chǎn)能對(duì)于超低滲油藏高效開發(fā)至關(guān)重要。

超低滲油藏產(chǎn)能的影響因素諸多，李南(2012)通過實(shí)際模型的數(shù)值模擬，認(rèn)為在一定范圍之內(nèi)注水強(qiáng)度越高，油井產(chǎn)量越大[6]；任濤(2014)分析目標(biāo)油藏三維地震資料后，指出儲(chǔ)層性質(zhì)越好、油層有效厚度越大，油井產(chǎn)能越高[7]；李龍龍(2014)在推導(dǎo)出直井產(chǎn)能公式的基礎(chǔ)上，得出射孔程度越完善，油井產(chǎn)能越高[8]；王歡(2014)、林旺(2017)研究認(rèn)為儲(chǔ)層改造體積是超低滲油藏油井產(chǎn)能主要影響因素[9-10]；劉輝(2013)在推導(dǎo)出產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上指出，隔夾層的存在會(huì)使油井產(chǎn)量下降[11]；潘有軍(2018)通過灰色關(guān)聯(lián)分析認(rèn)為，單井加砂量是影響油井初期產(chǎn)能的主要因素[12]；賈曉飛(2019)認(rèn)為油藏各向異性越大、油井產(chǎn)能越低[13]，姚振杰(2020)考慮低滲油藏天然裂縫十分發(fā)育，易與人工裂縫耦合導(dǎo)致水竄，降低油井產(chǎn)能[14]。目前，針對(duì)油井產(chǎn)能影響因素大多數(shù)文獻(xiàn)采用單因素定性分析，無(wú)法定量評(píng)價(jià)每個(gè)因素對(duì)產(chǎn)能的影響程度，致使采用的開發(fā)技術(shù)政策與油藏存在一定程度上的不適應(yīng)性[15-17]，無(wú)法高效開發(fā)。文中以元284超低滲油藏為例，從地質(zhì)、油藏、工藝等多方面單因素入手，進(jìn)行定量分析，建立多因素耦合作用的產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型。

1 產(chǎn)能主控因素

以油氣藏地質(zhì)規(guī)律和油氣滲流理論為指導(dǎo)，結(jié)合元284油藏實(shí)際開發(fā)特征，初步優(yōu)選了地質(zhì)和工藝兩個(gè)方面的12個(gè)參數(shù)作為影響油井產(chǎn)能的特征向量。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將定性參數(shù)虛擬化，并采取KNN(最鄰近結(jié)點(diǎn)算法)填補(bǔ)缺失值；利用數(shù)據(jù)清洗技術(shù)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。應(yīng)用MDI(平均不純度減少)特征選擇法，篩選出儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)、儲(chǔ)層連通性、天然裂縫發(fā)育程度3個(gè)地質(zhì)因素和射孔程度、注采對(duì)應(yīng)關(guān)系、注入強(qiáng)度、壓裂改造強(qiáng)度、井網(wǎng)特征5個(gè)工藝因素，開展產(chǎn)能主控因素定量分析和評(píng)價(jià)。

1.1 地質(zhì)因素

1.1.1 儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)

生產(chǎn)段儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)越好，油井產(chǎn)能越大[18]。Y300-521井和Y306-68井儲(chǔ)層厚度相同且其他開發(fā)參數(shù)相當(dāng)，Y300-521井8 m射孔在I類流動(dòng)單元、8 m射孔在II類流動(dòng)單元；而Y306-68井12 m射孔在II流動(dòng)單元、4 m射孔在III類流動(dòng)單元(圖1)。兩口井射孔厚度均為16 m，Y300-521的產(chǎn)能可達(dá)2.45 t/d，而Y306-68的產(chǎn)能卻只有0.71 t/d。即當(dāng)其他參數(shù)相當(dāng)?shù)臈l件下，油井產(chǎn)能主要取決于射孔段儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)。

圖1 Y300-521井(左)與Y306-68井(右)儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)剖面

利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將不同的儲(chǔ)層流動(dòng)單元對(duì)產(chǎn)能貢獻(xiàn)量化處理，同時(shí)考慮到射孔可能涉及到多個(gè)儲(chǔ)層段，因此，在數(shù)值計(jì)算時(shí)將單井所有射孔段的儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)歸一化處理(式1)。

(1)

式中：Fa為該井所有射孔投產(chǎn)段的儲(chǔ)層性質(zhì)，無(wú)因次；Cai為該井每個(gè)射孔段儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)量化指標(biāo)，無(wú)因次；N為該井所有射孔段儲(chǔ)層層數(shù)。

1.1.2 井間儲(chǔ)層連通性

儲(chǔ)層連通性是井間注采受效的關(guān)鍵，通過井間示蹤劑測(cè)試，利用回采率定量評(píng)價(jià)井間砂體連通性，回采率是指單井采出的示蹤劑量占所有注入示蹤劑量的百分比[19]。例如：B404-45井組示蹤劑測(cè)試結(jié)果顯示B403-45井回采率為0.042%，B405-45井回采率為0.036%。定量計(jì)算表明，B403-45井與B404-45井的砂體連通率比B405-45井與B404-45井的砂體連通率高17%；開發(fā)動(dòng)態(tài)表明B403-45井日產(chǎn)油1.13 t，比B405-45井高27%。即當(dāng)其他條件相當(dāng)?shù)那闆r下，油井產(chǎn)能主要取決于儲(chǔ)層連通性。

1.1.3 天然裂縫發(fā)育程度

裂縫是一種非常重要的儲(chǔ)集空間類型，裂縫既有儲(chǔ)集能力，又是油氣滲流的主要通道，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。通過對(duì)元284區(qū)巖心觀測(cè)分析，該區(qū)天然裂縫發(fā)育普遍，且以高角度縫為主，其中90%左右的裂縫開度為0～0.13 mm，75%左右的裂縫切深小于20 cm，具有小開度、小切深的顯著特征(圖2)。

圖2 元284井區(qū)巖心裂縫傾角觀測(cè)

天然裂縫發(fā)育程度對(duì)超低滲油藏產(chǎn)能有重要影響，而天然裂縫發(fā)育程度與巖石脆性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[20-21]?？山柚嘈灾笖?shù)(Br)來(lái)反映儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度，根據(jù)Richman脆性指數(shù)計(jì)算方法，建立基于楊氏模量和泊松比的脆性指數(shù)計(jì)算模型[22]：

(2)

(3)

(4)

式中：Eb為歸一化后的楊氏模量，無(wú)因次；vb為歸一化后的泊松比，無(wú)因次；Emax為最大楊氏模量，GPa；Emin為最小楊氏模量，GPa；Ei為第i個(gè)楊氏模量，GPa；vmax為最大泊松比，無(wú)因次；vmin為最小泊松比，無(wú)因次；vj為第j個(gè)泊松比，無(wú)因次。

式中的相關(guān)參數(shù)可以通過利用聲波時(shí)差測(cè)井中縱波和橫波的傳播速度來(lái)計(jì)算：

(5)

(6)

式中：Δtp為縱波聲波時(shí)差，μs/m；Δts為橫波聲波時(shí)差，μs/m；ρ為巖石密度，g/cm3。

利用聲波測(cè)井資料定量計(jì)算巖石脆性指數(shù)，從而分析裂縫發(fā)育程度，巖心觀察表明，B493-36井裂縫相對(duì)發(fā)育，開發(fā)動(dòng)態(tài)顯示該井為裂縫型水淹。由B493-36井脆性指數(shù)和聲波測(cè)井資料關(guān)系可知，B493-36井脆性指數(shù)與聲波時(shí)差呈正相關(guān)關(guān)系(圖3)，結(jié)合其他因素進(jìn)一步深入分析可知，當(dāng)儲(chǔ)層段天然裂縫發(fā)育時(shí)，其脆性指數(shù)主要為0.5～0.6；反之，Y284-100井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)基質(zhì)型水驅(qū)特征，反映該井裂縫不發(fā)育，分析其原因?yàn)閅284-100井儲(chǔ)層脆性指數(shù)均小于0.3。充分證明利用聲波時(shí)差資料計(jì)算巖石脆性指數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育程度是可靠的。

圖3 B493-36井儲(chǔ)層脆性指數(shù)與聲波時(shí)差關(guān)系

1.2 工藝因素

1.2.1 壓裂改造強(qiáng)度

通過體積壓裂可有效增大儲(chǔ)層滲流面積和導(dǎo)流能力，當(dāng)其他參數(shù)相當(dāng)?shù)臈l件下，油井產(chǎn)能主要取決于單井的壓裂改造強(qiáng)度。定義壓裂改造強(qiáng)度(Fd)為該井加砂量與該井射孔段厚度之比，即：

(7)

式中：Q砂量為該井加砂量，m3；H射孔為該井射孔段厚度，m。

Y281-98井和Y283-97井儲(chǔ)層厚度相同，兩口井均在I類流動(dòng)單元進(jìn)行一段射孔生產(chǎn)，兩口井剩余開發(fā)參數(shù)相同，但Y281-98井的加砂強(qiáng)度為 10.83 m3/m，Y283-97井的加砂強(qiáng)度為8.00 m3/m。由此，Y281-98的產(chǎn)能可達(dá)0.76 t/d，而Y283-97的產(chǎn)能只有0.62 t/d。

1.2.2 射孔程度

射孔段流動(dòng)單元性質(zhì)越好，初期日產(chǎn)量越大；射孔厚度越大，初期日產(chǎn)量也越大。所以，射孔程度也會(huì)影響生產(chǎn)井的產(chǎn)能，定義射孔程度(Fe)為射孔段厚度與砂體厚度的比值，即

(8)

式中：H砂體為該井所穿過的砂體厚度，m。

從圖4可知，Y295-47的射孔程度大于Y293-47的射孔程度，Y295-47的日產(chǎn)油0.91 t，而Y293-47的日產(chǎn)油為0.61 t。

1.2.3 注采對(duì)應(yīng)

油水井之間良好的注采關(guān)系是開發(fā)效果的重要保障。當(dāng)注采井的射孔不在同一砂體時(shí)，其注采對(duì)應(yīng)指數(shù)為0；當(dāng)注采井的射孔在同一砂體且射孔深度完全對(duì)應(yīng)時(shí)，其注采對(duì)應(yīng)指數(shù)賦值為1；當(dāng)注采井的射孔在同一砂體但深度不完全對(duì)應(yīng)時(shí)，根據(jù)其深度對(duì)應(yīng)程度，其注采對(duì)應(yīng)指數(shù)賦值為0～1。

若出現(xiàn)射孔段不在一個(gè)流動(dòng)單元時(shí)，需對(duì)采油井射孔厚度進(jìn)行劃分，再根據(jù)對(duì)應(yīng)注水井射孔關(guān)系進(jìn)行計(jì)算(式9)。比如Y295-47井(圖4)，該井對(duì)應(yīng)的注水井為Y294-47井，該注水井射孔兩段，射孔位置均與Y295-47井完全對(duì)應(yīng)，所以對(duì)于Y295-47井的注采對(duì)應(yīng)指數(shù)為Ff=(1×1+1×0.75)/2=0.875。

圖4 Y294-47井組射孔位置示意

(9)

式中：Ff為注采對(duì)應(yīng)指數(shù)，無(wú)因次；Lfi為該井射孔段位置量化后的數(shù)值，無(wú)因次；Pfi為該井對(duì)應(yīng)注水井射孔段流動(dòng)單元性質(zhì)的量化值，無(wú)因次。

1.2.4 注入強(qiáng)度

當(dāng)儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)相近、注入壓力小于油層破裂壓力時(shí)，注水強(qiáng)度越大，地層壓力保持水平越高，產(chǎn)液能力越強(qiáng)。例如B410-24井與B414-24井的儲(chǔ)層流動(dòng)單元性質(zhì)一致，B414-24井主應(yīng)力方向注水井日注量為29.3 m3和18.9 m3；B410-24主應(yīng)力方向注水井日注量為7.6 m3和8.6 m3；而B410-24井平均日產(chǎn)油為1.20 t，但B414-24井日產(chǎn)油僅0.43 t，分析產(chǎn)能差異的原因是，B414-24井的注入強(qiáng)度大于B410-24井的注入強(qiáng)度。

1.2.5 油井所處位置

元284區(qū)原始地層壓力15.8 MPa，投產(chǎn)以來(lái)地層壓力基本維持原始地層壓力的80%左右。統(tǒng)計(jì)注水井不同方向上油井的產(chǎn)能可知，NE75°方向油井產(chǎn)能高(平均1.21 t/d)，NE45°方向產(chǎn)能低(平均0.68 t/d)，NE105°產(chǎn)能居中(平均0.96 t/d)。

2 超低滲油藏生產(chǎn)井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型

2.1 生產(chǎn)井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

目前油井初期產(chǎn)能評(píng)價(jià)大多為理論推導(dǎo)的計(jì)算公式，雖然適應(yīng)性強(qiáng)，但未能考慮目標(biāo)油藏的實(shí)際地質(zhì)特征，使得計(jì)算誤差較大。為更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)元284區(qū)油井產(chǎn)能，在前期分析大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用熵權(quán)-AHM法，建立主觀-客觀雙重判斷約束模型。

主觀權(quán)重計(jì)算時(shí)，先建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型(圖5)，即構(gòu)建準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層和指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的AHP判斷矩陣；再建立準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層和指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的屬性判斷矩陣，判斷各個(gè)指標(biāo)和準(zhǔn)則的相對(duì)重要性；最后計(jì)算指標(biāo)和準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，計(jì)算出準(zhǔn)則層(地質(zhì)影響因素、工藝影響因素)對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重值Wb，計(jì)算出指標(biāo)層對(duì)于各自準(zhǔn)則層的相對(duì)權(quán)重值Wc(n)，則指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層的綜合權(quán)重為Wc=Wb×Wc(n)。

圖5 熵權(quán)-AHM法主觀權(quán)重流程

把第i個(gè)目標(biāo)對(duì)第j個(gè)目標(biāo)的相對(duì)重要性記為aij。

bi和bj對(duì)準(zhǔn)則層B的相對(duì)重要性分別記為uij、uji。按屬性測(cè)度的要求，uij和uji滿足：uij≥0，uji≥0，uij+uji=1，i≠j；uij=0，i=j，1≤i≤n，1≤j≤n。

(10)

1≤i≤n

(11)

式中:Wb(n)表示第n個(gè)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。

客觀分析權(quán)重時(shí)，先構(gòu)建初始數(shù)據(jù)矩陣，將初始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算各指標(biāo)的信息熵值，然后基于信息熵值計(jì)算指標(biāo)差異度，根據(jù)各指標(biāo)差異度的占比確定各指標(biāo)的權(quán)重；最后利用熵權(quán)-AHM法建立一個(gè)包含主客觀權(quán)重的優(yōu)化模型，解此優(yōu)化模型得到綜合權(quán)重，進(jìn)一步確定地質(zhì)因素和工藝因素的影響權(quán)重，用于評(píng)價(jià)不同情況生產(chǎn)井的產(chǎn)能大小。

2.2 生產(chǎn)井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

隨機(jī)選取元284區(qū)一個(gè)生產(chǎn)井組(圖6)，首先根據(jù)該井組油藏特征，對(duì)產(chǎn)能主控因素進(jìn)行量化處理；然后將8口生產(chǎn)井分類，分別將量化的產(chǎn)能主控因素代入相應(yīng)的計(jì)算公式；最后與實(shí)際產(chǎn)能對(duì)比(表2)。由表2可知，利用文中建立的產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法計(jì)算的8口井產(chǎn)能與這些井實(shí)際產(chǎn)能的誤差均較小，說(shuō)明該模型可以較好地預(yù)測(cè)元284區(qū)的油井產(chǎn)能。

圖6 B406-35井組井位分布

表2 B406-35井組產(chǎn)能對(duì)比

3 開發(fā)調(diào)整

選取元284區(qū)Y310-52低效井，利用文中方法計(jì)算Y310-52井產(chǎn)能主控參數(shù)(表3)，發(fā)現(xiàn)該井的射孔程度較差、壓裂規(guī)模較小。因此，對(duì)Y310-52井實(shí)施補(bǔ)孔和重復(fù)壓裂措施，重新計(jì)算其產(chǎn)能影響因素，發(fā)現(xiàn)射孔程度和壓裂改造強(qiáng)度有了較大提高，通過統(tǒng)計(jì)其產(chǎn)能變化和措施調(diào)整，該井日產(chǎn)油量從0.4 t提高至1.5 t，說(shuō)明該模型可以較好地指導(dǎo)目標(biāo)油藏的開發(fā)調(diào)整策略。

表3 Y310-52產(chǎn)能影響因素量化

4 結(jié)論

(1)對(duì)元284區(qū)單井產(chǎn)能主控因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，篩選出8個(gè)影響超低滲油藏油井產(chǎn)能的主控因素，確定了影響超低滲油藏油井產(chǎn)能重要程度的三個(gè)因素依次為射孔程度、儲(chǔ)層連通性及天然裂縫發(fā)育程度。

(2)元284井區(qū)儲(chǔ)層裂縫發(fā)育普遍，以高角度縫為主，有小開度、小切深的顯著特征，同時(shí)利用聲波測(cè)井資料定量計(jì)算巖石脆性指數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育程度是可靠的。

(3)通過熵權(quán)-AHM法建立主觀-客觀雙重判斷約束模型，綜合考慮影響超低滲油藏產(chǎn)能主控因素建立產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型，該模型比常規(guī)產(chǎn)能計(jì)算公式誤差小、計(jì)算精度高，對(duì)低滲油藏開發(fā)調(diào)整具有較好的指導(dǎo)作用。